室內(nèi)空氣質(zhì)量檢測調(diào)控系統(tǒng)設計

第1章緒論1.1研究目的及意義室內(nèi)空氣質(zhì)量是指在封閉的室內(nèi)環(huán)境中，空氣中的污染物質(zhì)濃度、溫度、濕度、氧氣含量等各項指標的狀況。隨著人們對健康環(huán)境的重視，人們也越來越重視空氣中的狀況，本設計的目的是為了人們更加及時方便的了解到當時的空氣質(zhì)量狀況，并提供相關(guān)的數(shù)據(jù)和建議，以確保人們的健康和舒適。首先，室內(nèi)空氣質(zhì)量檢測系統(tǒng)的設計目的是為了人們過上更加健康的生活。人們大部分的時間是在室內(nèi)度過的，而室內(nèi)空氣中可能存在各種污染物質(zhì)，如揮發(fā)性有機化合物、甲醛、PM2.5等。這些污染物質(zhì)對人體健康有潛在的危害，可能引發(fā)呼吸系統(tǒng)疾病、過敏反應、頭痛、疲勞等問題。通過室內(nèi)空氣質(zhì)量檢測系統(tǒng)，我們可以實時監(jiān)測空氣中的污染物質(zhì)濃度，及時采取相應的措施，減少對因為空氣狀況對人體健康的影響。其次，室內(nèi)空氣質(zhì)量檢測系統(tǒng)的設計意義在于提高室內(nèi)空氣環(huán)境的質(zhì)量。室內(nèi)空氣質(zhì)量的好壞直接影響人們的生活質(zhì)量和工作效率。如果室內(nèi)空氣中的污染物質(zhì)濃度過高人們可能會感到不適，導致情緒不穩(wěn)定、注意力不集中、工作效率下降等問題。而通過室內(nèi)空氣質(zhì)量檢測系統(tǒng)，我們可以及時了解室內(nèi)環(huán)境的狀況，采取相應的措施來改善空氣質(zhì)量，提升人們的舒適度和工作效率。此外，室內(nèi)空氣質(zhì)量檢測系統(tǒng)的設計還具有節(jié)能減排的意義。室內(nèi)環(huán)境中常用的空調(diào)、加濕器、凈化器等設備的使用對能源消耗和環(huán)境污染有一定影響。通過室內(nèi)空氣質(zhì)量檢測系統(tǒng)，我們可以實時監(jiān)測空氣質(zhì)量，根據(jù)監(jiān)測結(jié)果合理調(diào)整設備的運行模式和時長，以減少能源的浪費和環(huán)境污染。另外，室內(nèi)空氣質(zhì)量檢測系統(tǒng)的設計還可以為室內(nèi)環(huán)境管理和政策制定提供科學依據(jù)。通過收集和分析大量的室內(nèi)空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)，我們可以了解不同時間、不同地點的室內(nèi)空氣質(zhì)量狀況，掌握污染源和污染物的分布規(guī)律，為室內(nèi)環(huán)境管理和政策制定提供科學依據(jù)和決策支持?？偠灾覂?nèi)空氣質(zhì)量檢測系統(tǒng)的設計目的是保護人們的健康，提升室內(nèi)環(huán)境的舒適度，節(jié)能減排，以及為室內(nèi)環(huán)境管理和政策制定提供科學依據(jù)。通過這樣一個系統(tǒng)，我們可以更好地管理和改善室內(nèi)空氣質(zhì)量，創(chuàng)造一個健康、舒適、環(huán)保的室內(nèi)環(huán)境，提高人們的生活質(zhì)量和工作效率。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀在當前的室內(nèi)空氣質(zhì)量調(diào)控中，室內(nèi)空氣質(zhì)量檢測調(diào)控系統(tǒng)的設計扮演著不可或缺的角色。通過合理有效的控制能夠提高室內(nèi)空氣品質(zhì)，降低室內(nèi)有害氣體含量，從而達到凈化空氣，改善人體健康的目的。我國對室內(nèi)空氣質(zhì)量的研究始于上世紀70年代，相較于國外，我國在這方面的探索相對較晚。改革開放之后，人們生活水平有了很大提升，而伴隨而來的就是城市建設速度加快以及人口急劇增長帶來的環(huán)境污染問題。當時，我們的研究重點集中在探究室內(nèi)空氣中的污染物，其中包括二氧化碳等。隨著人們生活水平不斷提高，人們更加關(guān)注室內(nèi)空氣質(zhì)量問題，因此對其進行相關(guān)研究也就成為必然。隨著20世紀80年代的到來，中國預防醫(yī)學科學院開始對室內(nèi)空氣污染對人類健康的影響進行深入研究，結(jié)果表明，空氣中存在的一氧化碳、二氧化硫等有害物質(zhì)會對人體肺功能產(chǎn)生顯著的負面影響[4]。2019年，徐驁博在《基于STM32的室內(nèi)空氣質(zhì)量檢測儀的設計與實現(xiàn)》一文中講到當室內(nèi)有害氣體的濃度超過國家標準濃度時，會對人們的身體帶來較大的影響。為了讓人們及時準確地獲得室內(nèi)二氧化碳、PM2.5的濃度，采取有效方法來提高室內(nèi)的空氣質(zhì)量，提高工作效率[1]。2019年，劉超然在《室內(nèi)空氣質(zhì)量檢測系統(tǒng)的研究》文中介紹了室內(nèi)空氣質(zhì)量檢測系統(tǒng)的設計方案、傳感器的選擇以及應用電路的設計、藍牙協(xié)議棧的特點與應用以及智能終端的開發(fā)，完成了檢測系統(tǒng)的設計[2]。通過無線藍牙傳輸技術(shù)與智能終端進行通信，最后對系統(tǒng)進行功能測試，藍牙與智能終端的數(shù)據(jù)通信測試。2020年，胡俊賢、田秀云、賴錦松、李明燊、王倩在《基于單片機的空氣質(zhì)量檢測與報警系統(tǒng)設計》文中就提到，如果空氣中PM2.5濃度過高，會使得人們得呼吸道感染、哮喘、支氣管炎等疾病癥狀變高。為了及時了解室內(nèi)空氣質(zhì)量，提高生活水平，人們對室內(nèi)空氣質(zhì)量檢測儀的需求越來高[3]。2019年，ParticulateMatter在《SciencealgorithmsoftheEPAModels-3CommunityMultiscaleAirQuality》文中設計出了一款基于STM32單片機的便攜式室內(nèi)空氣質(zhì)量檢測儀。這一檢測儀可以廣泛的應用于人們生活、學習及工作環(huán)境，用戶可以方便的攜帶在身，以便實時了解自己所處環(huán)境的空氣質(zhì)量[19]。2021年，WHOrganization在《AStudyontheRelationshipbetweenMeteorologicalConditionandAirQualityofChengdu》文中對室內(nèi)空氣質(zhì)量檢測儀的硬件部分進行了詳細講解，首先提出了檢測系統(tǒng)的總體設計方案，其次對于系統(tǒng)功能的要求應該選擇適合的元器件和電路，并對STM32單片機的控制器核心電路、數(shù)據(jù)采集、按鍵輸入、液晶顯示模塊電路、接口電路進行了說明[20]。2021年，JournalofEngineering在《QualitativeandquantitativeevaluationofMODISsatellitesensordataforregionalandurbanscaleairguality》文中提出為了配合相應的硬件設計，實現(xiàn)各個模塊的軟件設計和上位機設計，用編程的方法實現(xiàn)了各個模塊的功能的正常運行，完成了系統(tǒng)對數(shù)據(jù)采樣、處理、顯示、報警、等功能[21]。綜合國內(nèi)外發(fā)展情況可以看出，現(xiàn)如今人們在物質(zhì)生活水平日益提高的同時，人們對于生活品質(zhì)的要求越來越高，因此也越來越重視空氣環(huán)境的污染情況，所以開發(fā)此款系統(tǒng)具有非常重要的意義。1.3主要研究內(nèi)容本系統(tǒng)的主要目標是研發(fā)一款能夠?qū)κ覂?nèi)空氣質(zhì)量進行檢測和調(diào)節(jié)的系統(tǒng)。該系統(tǒng)以單片機為核心，將采集到的數(shù)據(jù)經(jīng)處理后輸出相應的控制指令，從而實現(xiàn)了室內(nèi)空氣質(zhì)量的自動監(jiān)測與智能調(diào)整等功能。隨著科技的不斷演進和進步，人們對室內(nèi)空氣質(zhì)量的關(guān)注程度日益提高，智能家居的重要組成部分之一是室內(nèi)空氣質(zhì)量檢測系統(tǒng)和報警系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠及時監(jiān)測室內(nèi)各種空氣質(zhì)量信息并根據(jù)這些信息做出相應的處理措施。采用STM32單片機作為控制芯片，運用粉塵傳感器和氣體傳感器收集空氣環(huán)境中PM2.5和二氧化碳的濃度，并將其顯示在液晶顯示屏上。當蜂鳴器超過閾值時，會發(fā)出警報，隨后通過繼電器對當前環(huán)境進行適當?shù)恼{(diào)整。結(jié)構(gòu)框圖如圖1-1所示。 第2章系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)2.1設計方案為了實現(xiàn)室內(nèi)空氣質(zhì)量檢測調(diào)控系統(tǒng)的設計，本設計基于STM32單片機，硬件和軟件的設計都必須充分考慮到該系統(tǒng)的主要功能用途。在硬件方面，該設計選用了粉塵傳感器、氣體傳感器、蜂鳴器以及繼電器等基礎原理進行調(diào)控，以達到所需功能。而在軟件方面，該系統(tǒng)編寫了相應程序，對傳感器模塊等進行控制。通過仿真和實際驗證，該系統(tǒng)可實現(xiàn)室內(nèi)空氣質(zhì)量檢測的功能。此系統(tǒng)具有很好的市場推廣價值。2.2單片機型號選擇方案一：51單片機采用8位結(jié)構(gòu)，相對于現(xiàn)代的32位或64位處理器來說，處理能力較低。這限制了它在一些復雜任務和高性能應用中的應用。51單片機的內(nèi)存容量有限，包括程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器。這限制了程序規(guī)模和數(shù)據(jù)處理能力，不適合處理大規(guī)模數(shù)據(jù)和復雜算法。51單片機的硬件資源相對較少，包括輸入輸出口、通信接口、定時器等。在一些需要大量外設或復雜外部連接的應用中，可能無法滿足需求，需要外部擴展硬件。方案二：STM32單片機采用32位結(jié)構(gòu)，相比于8位結(jié)構(gòu)的51單片機，具有更高的處理能力。它能夠更快地執(zhí)行指令和處理數(shù)據(jù)，適用于處理復雜的算法、高性能應用和大規(guī)模數(shù)據(jù)處理等任務。32單片機的內(nèi)存容量通常較大，包括程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器。32單片機相對于51單片機在處理能力、內(nèi)存容量、硬件資源、多任務處理能力、現(xiàn)代化特性的支持以及開發(fā)工具和生態(tài)系統(tǒng)等方面具有明顯的優(yōu)勢。這使得它更適合處理復雜的應用和系統(tǒng)，提供更高的性能和功能，同時也為開發(fā)者提供更多的便利和靈活性。經(jīng)過對比，本系統(tǒng)選擇主控芯片為STM32單片機。本系統(tǒng)主控制芯片選擇型號為STM32F103C6T6的單片機，此單片機是由意法半導體集團生產(chǎn)設計的基于STM32系列ARMCortex-M內(nèi)核的一款具有64KB的程序存儲器的32位微控制器。本實驗采用的引腳圖如圖2-1所示。

2.3通信模塊的選擇方案一：Wi-Fi信號受到物理障礙物（如墻壁、樓層等）的干擾和衰減，導致信號強度下降，影響通信質(zhì)量和覆蓋范圍。Wi-Fi使用的2.4GHz和5GHz頻段是無線通信的共享頻段，容易受到其他無線設備的干擾，造成信道擁堵和通信質(zhì)量下降。Wi-Fi通信容易受到安全攻擊。在多設備同時連接和高負載情況下，網(wǎng)絡速度可能會明顯下降。方案二：不同于其他傳輸模式，藍牙技術(shù)有許多特點使其在各種設備和應用中廣泛應用，如低功耗的設計。藍牙設備可以進行快速且簡便的配對。一旦設備被配對，它們之間的連接就會自動建立，方便用戶直接進行數(shù)據(jù)傳輸和通信。藍牙支持多設備同時連接，允許用戶在同一時間與多個設備進行通信。藍牙技術(shù)廣泛應用于各種設備和領(lǐng)域，包括音頻設備、智能家居、健康監(jiān)測設備、汽車系統(tǒng)等。它提供了一種簡單且可靠的通信方式，滿足了不同設備之問的數(shù)據(jù)傳輸和交互需求。綜上所述，藍牙無線通信技術(shù)具有低功耗、方便易用、多設備互聯(lián)、廣泛應用領(lǐng)域、安全性保障、靈活性和可擴展性等多個優(yōu)點。這使得藍牙在各種設備和應用中成為一種可靠和廣泛使用的無線通信技術(shù)。因此本文選擇藍牙無線通信技術(shù)。第3章系統(tǒng)的硬件部分設計3.1系統(tǒng)總體設計本系統(tǒng)的主要目的是開發(fā)一款室內(nèi)空氣質(zhì)量檢測調(diào)控系統(tǒng)。選擇了STM32F103C6T6單片機作為主控制芯片，通過使用粉塵傳感器可以測量室內(nèi)PM2.5的濃度，并且通過氣體傳感器能夠采集室內(nèi)空氣中二氧化碳的濃度，并將其測試結(jié)果顯示在液晶顯示屏中。同時，當濃度超過閾值時，蜂鳴器會發(fā)出警報，繼電器會進行相應的動作。藍牙模塊進行無線通信，將采集到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)绞謾C端進行顯示。3.2系統(tǒng)的主要功能模塊設計3.2.1溫濕度傳感器模塊設計在本次設計中，選用DHT11溫濕度傳感器模塊，這種傳感器在市場上被廣泛認可。該傳感器能夠?qū)Νh(huán)境中溫濕度進行實時監(jiān)測，并將其轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號輸出。該傳感器所占用的空間很小，但其精度高達0.2，其數(shù)據(jù)傳輸方式為單總線。在本系統(tǒng)中使用的DHT11溫濕度傳感器，它具有很好的穩(wěn)定性，能夠準確地將溫濕度實時顯示出來，并且可以根據(jù)需要進行調(diào)節(jié)。該傳感器具有卓越的抗干擾能力，廣泛應用于鍋爐測溫、機房檢測、家庭溫度控制等領(lǐng)域，尤其適用于空間狹小的場合和數(shù)宇溫度檢測等場景。該溫度傳感器具有高精度、高可靠性、高集成度以及體積小等特點。該溫度傳感器的轉(zhuǎn)換速度高達75ns，比傳統(tǒng)的DS18B20更為迅捷。在單片機控制下可以自動測量并顯示出被測物體的實際溫濕度。DHT11數(shù)字溫濕度傳感器是一款集成了多種傳感器技術(shù)的高精度儀器，它能夠精準地輸出經(jīng)過校準的數(shù)字信號，從而實現(xiàn)對環(huán)境溫濕度的精準測量。在本設計中，我們使用了高精度數(shù)字溫濕度傳感器DHT11，該傳感器已廣泛應用于工業(yè)控制領(lǐng)域。該傳感器呈現(xiàn)出卓越的長期穩(wěn)定性和極高的可靠性，進而表現(xiàn)出其廣泛應用的特點。其最大特點在于可直接在現(xiàn)場使用。該傳感器采用一種電阻式感濕元件和一種NTC測溫元件相結(jié)合的設計，并通過高性能單片機實現(xiàn)連接。該系列傳感器可廣泛使用在工業(yè)現(xiàn)場中的空調(diào)系統(tǒng)、通風系統(tǒng)以及其他需要對環(huán)境參數(shù)進行實時監(jiān)測的應用場合。它能同時測量出被測物體表面上的溫度與濕度。每一款DHT11傳感器均經(jīng)過高精度的濕度校準，以確保其性能和精度達到最佳狀態(tài)。該傳感器還能夠?qū)Νh(huán)境溫度及環(huán)境濕度同時測量。OTP內(nèi)存中存儲著校準系數(shù)，該傳感器采用單線制串行接口，可輕松實現(xiàn)系統(tǒng)集成。此外，該傳感器體積微小，功耗極低，信號傳輸距離可達20米以上，使其成為各種應用場合中的最佳選擇，甚至在苛刻的環(huán)境下也能發(fā)揮重要作用。本實用新型適用于對空氣相對濕度敏感的測量設備。產(chǎn)品四針單排引腳的封裝，提供方便的連接方式，同時采用特殊的封裝形式滿足用戶的需求。3.2.2HC06藍牙模組模塊設計藍牙模塊的主要作用是與手機APP建立聯(lián)系，將檢測到的數(shù)據(jù)發(fā)收到手機APP中。HC06藍牙模組原理圖如下圖。藍牙模塊的硬件電路設計包括以下幾個關(guān)鍵部分：1.為藍牙模塊提供穩(wěn)定的電源供應，使用電源濾波電路、穩(wěn)壓器和電容等元件，以確保藍牙模塊正常工作的電源質(zhì)量和穩(wěn)定性。2.藍牙模塊的核心是搭載了藍牙協(xié)議棧的主控芯片，它負責處理藍牙通信協(xié)議和數(shù)據(jù)傳輸。在電路設計中，需要將主控芯片與單片機進行連接。3.藍牙模塊需要一個天線用于發(fā)送和接收無線信號。天線的設計需要考慮天線的類型和天線的位置，以確保良好的信號強度和覆蓋范圍。4.藍牙模塊通常需要與其他外部設備進行數(shù)據(jù)交互，因此需要設計相應的外部接口，以便與其他硬件設備進行通信。5.藍牙模塊的射頻部分包括射頻收發(fā)器和濾波器等元件，用于實現(xiàn)藍牙信號的發(fā)送和接收，并確保與其他頻段的干擾信號的隔離。6.在進行藍牙模塊的硬件電路設計時，需要仔細考慮各個部分之間的連接和布局，確保信號傳輸?shù)目煽啃?、電磁兼容性和整體性能。3.2.3二氧化碳濃度測定傳感器模塊設計JW01二氧化碳傳感器是一種被廣泛應用于測量空氣中二氧化碳濃度的高精度傳感器。該傳感器具備廣泛的探測范圍、高度敏感的特性、快速的響應速度、卓越的穩(wěn)定性、長久的使用壽命以及簡單的驅(qū)動電路。JW01二氧化碳傳感器運用基于非分散式紅外吸收原理的技術(shù)，利用紅外光源釋放的特定波長光線與待測氣體之間的相互作用，實現(xiàn)了對空氣中二氧化碳濃度的檢測。在工作過程中，當光源照射被測氣體時，氣體將被激發(fā)而產(chǎn)生一定頻率的電磁波。通過檢測氣體中剩余光線強度的變化，傳感器能夠推斷待測氣體中二氧化碳的濃度。由于二氧化碳本身不發(fā)光，所以在一定程度上可以避免光源對測試結(jié)果產(chǎn)生影響。隨著二氧化碳在空氣中的濃度逐漸升高，其導電性也隨之增強，進而導致輸出電阻的降低，從而使得模擬信號呈現(xiàn)出更為顯著的增強。原理圖如下。3.2.4粉塵傳感器模塊設計為了測量室內(nèi)空氣中PM2.5的含量，本設計采用粉塵傳感器測量，該傳感器的工作原理是通過光學照射，測量出測試環(huán)境中的灰塵濃度。粉塵傳感器的特點如下：（1）額定工作電流小，整機額定工作電流≤120mA，最大工作電流≤180mA。（2）產(chǎn)品使用壽命長達8年以上。（3）測量量程可根據(jù)需要設定為0-500mg/m3或0-1000mg/m3。（4）測量速度快，可在極短的時間內(nèi)檢測出當時的PM2.5濃度（5）外形尺寸:46mm×34mm×18.15mm原理圖如下：3.2.5電源供電系統(tǒng)模塊設計單片機系統(tǒng)需要5V電壓來支持運行，但是主要電源是兩節(jié)鋰電池，所以我們就需要通過一定的降壓電路來將電池的電壓的將為我們單片機所需要的5V電壓。原理圖如下圖。3.2.6繼電器模塊設計當環(huán)境中條件不符合要求時蜂鳴器會發(fā)出報警動作，同時繼電器進行相應的操作；如當溫度過高時進行通風；當二氧化碳濃度過高進行通風；當PM2.5濃度過高進行通風，及時的改善當前的空氣環(huán)境。室內(nèi)空氣質(zhì)量檢測系統(tǒng)中繼電器模塊的硬件電路設計包括以下幾個關(guān)鍵部分：（1）為繼電器模塊提供適當?shù)碾娫措妷骸？梢允褂秒娫催m配器或電池供電。確保電源電路具有適當?shù)倪^壓和過流保護。（2）用于控制繼電器的開關(guān)狀態(tài)?？梢允褂梦⒖刂破骰蜻壿嬮T電路來實現(xiàn)控制邏輯?？刂齐娐窇軌蚋鶕?jù)室內(nèi)空氣質(zhì)量檢測系統(tǒng)的需求，判斷何時打開或關(guān)閉繼電器。（3）繼電器通常需要一個驅(qū)動電路來提供足夠的電流和電壓來操縱繼電器的開關(guān)。這可以通過使用晶體管或繼電器驅(qū)動芯片來實現(xiàn)。3.2.7顯示屏模塊設計 SSD1306是一種單色有機發(fā)光二極管顯示屏控制器芯片。它的工作原理基于以下幾個主要方面。（1）SSD1306首先需要選擇顯示模式，其中包括基本顯示模式和頁顯示模式?；撅@示模式將屏幕劃分為像素，并通過指定每個像素的狀態(tài)來顯示圖像。（2）控制方面，SSD1306使用特定指令來控制顯示的各個方面。這些指令用于設置顯示模式、顯示偏移、對比度、像素亮度等參數(shù)。通過這些指令，可以調(diào)整顯示屏的亮度、對比度和顯示位置等。（3）像素驅(qū)動方面，SSD1306通過輸出特定電平來控制每個像素的亮度。它采用多路復用技術(shù)，按行輸出每個像素的數(shù)據(jù)，并以掃描方式逐行刷新整個屏幕。這種方式使得SSD1306能夠以較低的功耗實現(xiàn)高質(zhì)量的圖像顯示。（4）電源管理方面，SSD1306需要適當?shù)碾娫垂哉９ぷ?。它支持多種電源模式，包括休眠模式和待機模式，可根據(jù)需求調(diào)整電源消耗。通過以上工作原理，SSD1306能夠控制像素的亮滅狀態(tài)，在顯示屏上顯示文本、圖形和圖像。顯示屏通常是通過串口或并口與單片機進行通信的，具體的硬件設計如下：（1）根據(jù)顯示屏的類型，選擇相應的通信接口。（2）顯示屏需要供電，通?？梢酝ㄟ^單片機供電或者外部電源供電。需要設計相應的電源管理電路。 3.2.8蜂鳴器模塊設計蜂鳴器是一種聲音發(fā)生器，其工作原理是通過施加電信號使得蜂鳴器內(nèi)部的震蕩元件振動產(chǎn)生聲音。當電流通過蜂鳴器時，震蕩元件開始振動，產(chǎn)生機械波。對于壓電蜂鳴器，電流導致壓電陶瓷元件收縮和膨脹，從而振動空氣產(chǎn)生聲音。對于電磁蜂鳴器，電流通過線圈產(chǎn)生磁場，吸引或排斥磁性振動片，使之振動產(chǎn)生聲音。頻率和音量的調(diào)節(jié)可以通過改變輸入電流的頻率和幅度來實現(xiàn)。蜂鳴器廣泛應用于警報、提醒和音頻提示等領(lǐng)域。系統(tǒng)中蜂鳴器的硬件設計需要考慮以下幾個方面：（1）根據(jù)需要發(fā)出的聲音頻率和響度要求，選擇合適的蜂鳴器。（2）控制電路主要由單片機、驅(qū)動芯片和邏輯電路組成。單片機通過驅(qū)動芯片控制蜂鳴器的開關(guān)，并通過邏輯電路來控制蜂鳴器發(fā)出不同的聲音信號。（3）由于蜂鳴器和控制電路都需要穩(wěn)定的電源供電，因此需要設計合適的電源電路，以保證系統(tǒng)正常工作。（4）根據(jù)實際需要，設計合適的PCB電路板，將蜂鳴器、控制電路和電源電路等元件進行布局，以便后續(xù)的制造和調(diào)試。第4章系統(tǒng)的軟件設計4.1軟件流程圖單片機是一款體積微小的計算機。單片機可以被應用于很多方面，如家用電器、工業(yè)自動化設備等。這款芯片將計算機的全部功能巧妙地融合在一起，令人嘆為觀止。隨著科技技術(shù)不斷發(fā)展，單片機已被廣泛地應用到了工業(yè)、農(nóng)業(yè)等各個領(lǐng)域，其作用也越來越突出。在眾多控制領(lǐng)域中，單片機是最為廣泛應用的晶片之一。在工業(yè)過程控制方面，單片機發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。盡管單片機體積微小，但其卓越的功能、高可靠性和高性能特點，使其備受青睞。這是因為單片機擁有全面的功能、低廉的成本和卓越的能耗表現(xiàn)。通過單片機的應用，系統(tǒng)能夠在短時間內(nèi)高效地處理海量數(shù)據(jù)，并進行快速的運算和邏輯分析，從而實現(xiàn)實時、快速的動態(tài)響應。該芯片擁有豐富的外設接口，可與其他設備實現(xiàn)通訊連接?？紤]到本次控制系統(tǒng)所需處理的數(shù)據(jù)量并不算龐大，因此在權(quán)衡系統(tǒng)的運算性能和成本問題后，我們決定采用意法半導體公司所生產(chǎn)的STM32單片機。通過對這六個功能模塊的研究與設計，完成整個控制系統(tǒng)的電路設計。電路的構(gòu)成包括電源供應、蜂鳴器驅(qū)動、粉塵傳感器、液晶顯示和溫濕度檢測五個部分。為了保證整個系統(tǒng)運行的可靠性以及穩(wěn)定性，在設計過程中，對各個功能模塊都采取了抗干擾措施。采用STM32單片機作為主控制器，該單片機綜合性能較高，能夠?qū)⒛M信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，并將其送入A/D轉(zhuǎn)換模塊，以便于單片機進行處理和輸出。隨后，利用單片機內(nèi)部程序?qū)Ω鞣N信息進行處理，并將輸出指令信號呈現(xiàn)出來，最終通過控制模塊進行調(diào)整，以滿足控制需求。系統(tǒng)整體流程表如下圖所示。

4.2溫濕度采集模塊的軟件設計為了檢測當前環(huán)境中的溫濕度情況，采用DHT11溫濕度傳感器。當單片機初始化完成后，DHT11溫濕度傳感器開始工作，實時的檢測當前環(huán)境中的溫濕度情況，并顯示在液晶顯示屏中。通過按鍵設置溫濕度閾值，測量數(shù)據(jù)實時與設定的閾值進行比較，若當前溫濕度超過當前閾值，繼電器進行通風動作。4.3液顯示模塊的設計為了呈現(xiàn)當前環(huán)境的溫濕度信息，運用了液晶顯示器技術(shù)，以展示其視覺效果。在介紹液晶顯示器原理基礎上，詳細闡述了其主要器件及結(jié)構(gòu)形式，并給出了具體電路框圖，最后通過實驗測試結(jié)果驗證了設計方法的正確性與可行性。在20世紀50年代和60年代，液晶顯示屏幕的研究首次展開，而到了21世紀，三星和LG等公司則開始大規(guī)模生產(chǎn)該產(chǎn)品?，F(xiàn)在，隨著科技水平的不斷提高，人們對于產(chǎn)品性能要求也越來越嚴格，因此，液晶顯示屏成為了目前市場上比較流行的電子產(chǎn)品之一。它具有重量輕、體積小、能耗低等特點。它們視野開闊，對比度高，能耗低，反應速度快，制作工藝簡單等諸多優(yōu)點。如圖為液晶顯示模塊流程圖。4.4蜂鳴器驅(qū)動電路模塊的軟件設計當環(huán)境中溫濕度和PM2.5的濃度高于設定的閾值時，控制電路設備會開始發(fā)出警報。為了確保只在必要時刻發(fā)出警報，系統(tǒng)特別設置了一個程序。只有符合警報條件時，系統(tǒng)會才發(fā)出信號并授權(quán)報警。報警的聲音來源于蜂鳴器。4.5粉塵傳感器檢測模塊的軟件設計當單片機初始化完成后，粉塵傳感器會對周國的環(huán)境進行采集并形成一個參數(shù)來表示粉塵濃度，若此測量數(shù)據(jù)在設定的范圍內(nèi)，則觸發(fā)之后的操作;若不在范圍內(nèi)，則觸發(fā)蜂鳴器報警同時繼電器進行通風。流程圖如下。4.6A/D轉(zhuǎn)換模塊的軟件設計初始化：在使用AD轉(zhuǎn)換模塊之前，需要進行初始化，包括設置轉(zhuǎn)換精度、參考電壓等參數(shù)。采樣：在進行AD轉(zhuǎn)換之前，需要對采樣信號進行收集，通常采用定時器來控制采樣頻率，采樣得到的模擬信號將送入AD轉(zhuǎn)換模塊進行轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)換：將采樣得到的模擬信號送入AD轉(zhuǎn)換模塊進行轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換完成后，可以得到一個數(shù)字量的信號。輸出：將處理后的數(shù)據(jù)輸出到需要使用的設備中。中斷處理：在轉(zhuǎn)換過程中，可能會產(chǎn)生中斷請求，需要在中斷處理函數(shù)中進行處理，以確保轉(zhuǎn)換的正確性和穩(wěn)定性。實現(xiàn)其功能的流程圖如下。4.7藍牙模塊的軟件設計藍牙模塊的軟件程序設計包括以下關(guān)鍵步驟和功能：程序開始時，需要進行藍牙模塊初始化。藍牙模塊可以掃描附近的設備來發(fā)現(xiàn)可連接的藍牙設備。掃描過程中，程序可以獲取設備的地址、名稱和其他相關(guān)信息。一旦發(fā)現(xiàn)目標設備，程序可以嘗試與其建立藍牙連接。連接管理功能包括連接建立、連接斷開和重新連接等。藍牙模塊的主要功能之一是在設備之間進行數(shù)據(jù)傳輸。程序可以通過藍牙模塊發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。藍牙設備通常通過提供一組服務來提供特定的功能。藍牙模塊可以觸發(fā)各種事件，程序需要定義相應的事件處理函數(shù)來響應這些事件，并執(zhí)行相應的操作。軟件程序設計還可以根據(jù)具體應用需求進行擴展。 第5章系統(tǒng)測試5.1系統(tǒng)實物圖 5.2溫濕度模塊測試%rh。如圖所示。一旦啟動開關(guān)，上位機將自動獲取各個傳感器的參數(shù)，緊接著，系統(tǒng)將自動設定溫度和濕度的上下限。蜂鳴器一旦檢測到溫度和濕度超過預設的上限，便會發(fā)出警報，并啟動繼電器進行相應的調(diào)節(jié)。5.3PM2.5粉塵傳感器功能模塊測試當前空氣中的PM2.5濃度為250微克/立方米。如下圖所示。我們對粉塵傳感器吐煙模擬PM2.5濃度變化。如下圖所示。我們此時設定的PM2.5濃度上限為270微克/立方米，當環(huán)境中的PM2.5濃度超過上限，蜂鳴器會報警，并且繼電器會進行相應的操作。5.4液晶顯示屏功能模塊測試液晶顯示屏實時顯示測量到的溫度、濕度、PM2.5濃度、二氧化碳濃度，同時顯示溫濕度上下限。5.5CO2濃度傳感器功能模塊測試我們生活中的二氧化碳濃度在400ppm左右。如圖所示。我們對二氧化碳傳感器呼氣，模擬二氧化碳濃度升高。如圖所示。5.6手機APP界面手機通過藍牙與設計相連接，并將當前溫濕度，PM2.5濃度顯示于手機APP中。第6章總結(jié)與展望6.1總結(jié)隨著人們對健康的日益重視，室內(nèi)空氣質(zhì)量檢測調(diào)控系統(tǒng)的設計日益凸顯其不可或缺的地位。在傳統(tǒng)的空氣質(zhì)量控制系統(tǒng)中，由于存在著諸多問題而導致了控制精度不高，無法滿足現(xiàn)代社會發(fā)展需求等一系列問題。在此基礎上，本文構(gòu)建了一套以STM32單片機為核心的室內(nèi)空氣質(zhì)量檢測與控制系統(tǒng)，可實現(xiàn)對室內(nèi)溫濕度的調(diào)節(jié)，并實現(xiàn)對當前空氣質(zhì)量的監(jiān)測。同時通過無線傳輸模塊將數(shù)據(jù)發(fā)送至上位機，從而使用戶能及時了解室內(nèi)空氣質(zhì)量狀況，以便更好地改善室內(nèi)環(huán)境，保障人體健康。該系統(tǒng)在提升我國室內(nèi)空氣質(zhì)量控制水平方面發(fā)揮了極為有益的作用。文章主要從硬件電路和軟件兩方面介紹了室內(nèi)空氣質(zhì)量檢測與控制系統(tǒng)設計方案及軟硬件開發(fā)過程。該室內(nèi)空氣質(zhì)量檢測調(diào)控系統(tǒng)運用多種傳感器，能夠?qū)崟r監(jiān)測室內(nèi)環(huán)境的溫濕度、PM2.5濃度等參數(shù)，并根據(jù)檢測結(jié)果實現(xiàn)對室內(nèi)空氣質(zhì)量的高精度調(diào)控。在實際應用中，該系統(tǒng)具有以下優(yōu)勢：首先，它能夠幫助人們實時了解室內(nèi)空氣質(zhì)量，及時采取相應的措施，有利于人們的健康；其次，該系統(tǒng)可自動調(diào)節(jié)室內(nèi)環(huán)境，有效地提高生產(chǎn)效率和工作質(zhì)量。6.2展望未來，隨著科技的不斷進步和人們對健康生活的要求越來越高，室內(nèi)空氣質(zhì)量檢測調(diào)控系統(tǒng)將會得到更廣泛的應用。例如，系統(tǒng)可應用于醫(yī)院、學校、商場、公共交通工具等公共場所，以提高人們的健康水平。同時，通過對系統(tǒng)的不斷升級和優(yōu)化，如增加對PM10、甲醛等污染物的監(jiān)測，進一步提高系統(tǒng)的檢測精度和反應速度，從而更好地保障人們的健康和生活質(zhì)量?？傊?，室內(nèi)空氣質(zhì)量檢測調(diào)控系統(tǒng)是一項具有廣泛應用前景的技術(shù)，其應用能夠有效地提高人們的生活質(zhì)量。在未來的發(fā)展中，該系統(tǒng)將會繼續(xù)得到改進和完善，以更好地滿足人們的需求。

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#include<stdint.h>#ifdefined(__CC_ARM__)#define__ASM__asm/*!<asmkeywordforARMCompiler*/#define__INLINE__inline/*!<inlinekeywordforARMCompiler*/#elifdefined(__ICCARM__)#define__ASM__asm/*!<asmkeywordforIARCompiler*/#define__INLINE__inline/*!<inlinekeywordforIARCompiler.OnlyavaiableinHighoptimizationmode!*/#elifdefined(__GNUC__)#define__ASM__asm/*!<asmkeywordforGNUCompiler*/#define__INLINE__inline/*!<inlinekeywordforGNUCompiler*/#elifdefined(__TASKING__)#define__ASM__asm/*!<asmkeywordforTASKINGCompiler*/#define__INLINE__inline/*!<inlinekeywordforTASKINGCompiler*/#endif#ifdefined(__CC_ARM)/*RealViewCompiler*/__ASMuint32_t__get_PSP(void){mrsr0,psp bxlr}__ASMvoid__set_PSP(uint32_ttopOfProcStack){msrpsp,r0bxlr}__ASMuint32_t__get_MSP(void){mrsr0,mspbxlr}__ASMvoid__set_MSP(uint32_tmainStackPointer){msrmsp,r0bxlr}#include"dht11.h"#include"delay.h"http://復位DHT11voidDHT11_Rst(void) { DHT11_IO_OUT(); //SETOUTPUTDHT11_DQ_OUT=0; //拉低DQdelay_ms(20); //拉低至少18msDHT11_DQ_OUT=1; //DQ=1 delay_us(30); //主機拉高20~40us}//等待DHT11的回應//返回1:未檢測到DHT11的存在//返回0:存在u8DHT11_Check(void)